Механика сред, взаимодействующих с электрическими и магнитными полями

На основе батареи сильноточных аккумуляторов создана автономная схема питания магнитной системы, стабилизирующей разряд. Разработана электротехническая схема, обеспечивающая устойчивую работу установки одновременно от независимых источников тока. Предложенное упрощение магнитной системы для стабилизации разряда позволило упростить ее конструкцию за счет уменьшения числа стержней, создающих магнитное поле протекающими в ней токами, до трех. Модернизирована система диагностики сильноточных токов на основе датчиков Холла, позволившая существенно упростить и повысить качество проводимых измерений. Предложена и проведена на П-2000 модернизация системы охлаждаемых водой трубчатых реостатов, позволяющая обеспечивать плавное, а не только дискретное регулирование балластного сопротивления электрических цепей испытуемых установок. В экспериментах проведены высокоскоростная (1200 к/с) видеорегистрация с высокой степенью разрешения и осциллографирование разрядных токов и напряжений. Путем синхронизации и сопоставления этих данных проведено экспериментальное исследование процессов в низкотемпературной плазме достаточно протяженных (до 150 мм) квазистационарных дуговых разрядов в свободной воздушной среде атмосферного давления при токах до 600 А при горизонтальной и вертикальной ориентациях стержневых графитовых электродов в присутствии внешнего магнитного поля. Получены экспериментальные и теоретические данные о многоканальных разрядах в воздушной среде. Испытаны опытные образцы плазменных инжекторов. Среди них выбран предпочтительный образец, на котором экспериментально формируются стабильные протяженные (более 100 мм) достаточно узкие плазменные струи (l/d > 15). Подобрана подходящая конфигурация витков подмагничивания канала рельсотрона для обеспечения устойчивого старта и направленного движения свободной дуги по рельсам. Предложены программы для расчета плоских однородных ламинарных склоновых потоков различных неньютоновских жидкостей на бесконечно длинных однородных склонах, обобщение дифференциальной трехпараметрической модели турбулентности c учетом нестационарности процессов, сложной реологии, влияния силы тяжести и вовлечения подстилающего материала. Проведен анализ применяемых в современной электрогидродинамике слабопроводящих сред эффективных математических моделей, степень сложности которых определяется учитываемыми механизмами электризации среды. Описаны и проанализированы несколько различных механизмов электризации. Показано, что один из механизмов, связанный с непосредственным воздействием поля на объемную скорость ионизации, может быть применен для разработки зондового метода диагностики электронного возбуждения молекул высокотемпературной газовой смеси атмосферного давления (типа продуктов горения углеводородов). Исследован механизм образования объемного электрического заряда в жидких средах при их течении в каналах микро- и наноразмеров, используемых в различных устройствах в биотехнологии, фармацевтике и диагностической медицине. Определены в изотермическом приближении динамические условия на границе раздела фаз в жидкостях, учитывающие зависимость поверхностной энергии от потока массы через межфазную границу, критерий устойчивости дозвуковых фронтов фазовых переходов с плоскими волнами относительно малых возмущений. Вычислена зависимость поверхностного натяжения от потока массы для известного точного решения задачи о структуре изотермического фазового перехода в рамках обобщенной модели Ван-дер-Ваальса. Рассмотрена задача о вычислении эффективной вязкости для слабоконцентированной суспензии сферических частиц из жесткого ферромагнетика в сильном переменном магнитном поле. Показано, что возможны два вида временного усреднения: усреднение тензора касательных напряжений среды и поля или усреднение вязкой диссипации. В 1-м случае рост величины магнитного поля уменьшает эффективную вязкость суспензии, во 2-м - увеличивает. Экспериментально исследована деформация тонкого цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера на силиконовой основе в магнитном поле электромагнитной катушки. Предложена методика измерения коэффициентов упругости намагничивающегося эластомера в модели Муни - Ривлина. Показано, что при некоторых значениях тока в катушке существует бистабильность равновесных форм исследуемого тела. Деформация тела из намагничивающегося эластомера в магнитном поле исследована также и теоретически. Рассмотрены два случая: деформация тонкого цилиндрического тела в неоднородном приложенном магнитном поле и деформация сферического тела в однородном приложенном магнитном поле. Показана возможность существования более чем одной равновесной формы тела в приложенном магнитном поле. Рассмотрена задача о сферическом маятнике внутри сферического объема магнитной жидкости при наличии однородного магнитного поля. Постановка задачи обусловлена изучением биологических тактильных волосков - датчиков млекопитающих. Тонкие длинные волоски растут из специальных фолликул с капсулой, окруженной кровью, и используются млекопитающими для тактильного исследования окрестностей. Предложена модельная схема поддержки вязкоупругих волосков внутри фолликул как сферического объема, заполненного магнитной жидкостью. При этом волосок моделируется жестким стержнем со сферическим телом на конце, погруженным внутрь феррожидкости. Показано, что динамическое поведение маятника может управляться приложенным магнитным полем. Аналитически и численно изучена магнитная жидкость под полимерной пленкой между соосными цилиндрами в магнитном поле линейного проводника с током. Вычислены различные объемы и формы магнитной жидкости при фиксированных высоте закрепления полимерной пленки, толщине зазора между соосными цилиндрами и токе в проводнике. Изучена возможность образования и разрушения магнитожидкостной перемычки между цилиндрами с помощью изменения магнитного поля. Исследованы левитация и движение твердого магнита в тонком слое магнитной жидкости на твердой немагнитной горизонтальной подложке. В малом объеме магнитной жидкости магнит может левитировать на некоторой высоте от подложки и находится в состоянии равновесия. Форма магнитной жидкости вокруг магнита и высота левитации магнита исследованы теоретически и экспериментально для различных объемов магнитной жидкости. Выявлена зависимость высоты левитации магнита от объема магнитной жидкости. Проведено сравнение экспериментов и теории. В случае, когда магнитная жидкость, в которую помещается магнит, имеет в начальный момент несимметричную форму, возникает горизонтальная сила, под действием которой магнит движется вдоль подложки. Экспериментально исследовано движение магнита по тонкой узкой полосе магнитной жидкости. Изучена проблема распространения слабых разрывов и ударных волн в газах и плазме, создающихся, например, движением поршня и распространяющихся по произвольному, но известному фону. Развит метод изучения пространственной задачи о слабом разрыве решений лагранжевых гиперболических уравнений в рядах по характеристической переменной, который сводится к последовательному решению серии обыкновенных линейных дифференциальных уравнений 1-го порядка фактически в квадратурах. Линеаризация уравнений около решения со слабым разрывом позволяет решать задачу о распространении слабой ударной волны. В случае одномерных движений исследованы вопросы опрокидывания слабого разрыва при ускоренном движении поршня, а также затухания ударной волны при его торможении на произвольном фоне. Решены задачи с убывающим и периодическим фонами. Исследовано влияние однородного продольного магнитного поля на неустойчивость Кельвина - Гельмгольца при относительном движении двух горизонтальных слоев феррожидкостей, имеющих любые физически реализуемые законы намагничивания. Определено условие устойчивости течения с заданной величиной разрыва поля скоростей на поверхности раздела для феррожидкостей с любыми физически реализуемыми законами намагничивания. Аналитически получено уравнение кривой нейтральной устойчивости в плоскости параметров: напряженность приложенного магнитного поля – разрыв поля скоростей. Эта кривая разделяет 1-й квадрант плоскости указанных параметров на области устойчивости и неустойчивости течения. Детально исследована неустойчивость Кельвина - Гельмгольца в случае феррожидкостей, подчиняющихся при намагничивании модифицированному закону Ланжевена. Показано, что магнитные и гравитационные силы (без учета капиллярных сил) способны создать режим устойчивого течения с разрывом поля скоростей. В отсутствие магнитного поля такой случай принципиально невозможен (как и в гидродинамике обычных жидкостей). Для изучения устойчивости установившегося электровращения сферической капли вязкой слабопроводящей поляризующейся жидкости в постоянном электрическом поле проведено аналитическое исследование нестационарного вращения в следующих условиях. Сферическая капля вязкой слабопроводящей поляризующейся жидкости взвешена в другой, несмешивающейся с ней, вязкой слабопроводящей поляризующейся жидкости. Учтено влияние поверхностных электротоков на границе раздела жидкостей. Отношение вязкости окружающей жидкости к вязкости капли считалось достаточно малым и использовалось при решении как малый параметр. Изучено нестационарное изменение формы капли. Выведены соотношения для электрического потенциала, скорости и давления в виде рядов с зависящими от времени векторными и тензорными коэффициентами. Установлено, что в определенных условиях, кроме известного стационарного решения без электровращения, существует множество стационарных решений с электровращением, определенных с точностью до направления вектора угловой скорости вращения, перпендикулярного вектору напряженности приложенного поля. Если выполняются условия существования решений с электровращением, то решения с электровращением являются устойчивыми, а решение без электровращения - неустойчивым. Если же условия существования решений с электровращением не выполняются, то решение без электровращения является устойчивым.